生 物 氧 化PPT课件

第一节 概述第1页/共87页营养物质在生物体内经氧化分解，最终生成CO2 和 H2O，并释放能量的过程称生物氧化。* * 一一. .生物氧化的概生物氧化的概念念 第2页/共87页* * 生物氧化与体外氧化的相同点生物氧化与体外氧化的相同点 生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子，遵循氧化还原反应的生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。一般规律。 物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物（物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物（COCO2 2，H H2 2O O）和释放能量均）和释放能量均相同。相同。第3页/共87页w 是在细胞内温和的环境中由酶催化进行的，能量是逐步释放的，并储存于ATP中。w 代谢物脱下的氢与氧结合产生H2O，有机酸脱羧产生CO2。* 生物氧化与体外氧化的不同点生物氧化体外氧化w 能量是突然释放的。w CO2、H2O由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。第4页/共87页* * 三三. .生物氧化的一般过程生物氧化的一般过程2HCO2ATP ADP + PiO2H2O乙酰CoA CoASH葡萄糖 甘油、脂肪酸 氨基酸糖原 脂肪 蛋白质三羧酸循环第一阶段第二阶段第三阶段氧化磷酸化丙酮酸2H胞液线粒体第5页/共87页能量代谢概况 糖、脂肪、蛋白质彻底氧化分解代谢可分成三个阶段： 供能物质分解成基本组成单元： 将基本组成单元分解成乙酰辅酶A：释放部分能量； 乙酰辅酶A A经过三羧酸循环氧化生成二氧化碳和还原物质（NADHNADH和FADHFADH） ，并释放少量能量； 三羧酸循环脱下的还原物质（NADHNADH和FADHFADH）经过呼吸链氧化生成水，并释放大量的能量，生成较多ATPATP； 将能源物质中的化学能转变成可直接利用的物质中的化学能：在胞液和线粒体中进行； 同化代谢过程一般消耗能量（可利用形式）；异化代谢过程一般有利于将能量转变成可供利用的能量（形式）；第6页/共87页第二节 生成ATP的氧化体系The Oxidation System of ATP Producing第7页/共87页一，高能键和高能化合物(P123) 生理条件下，化学键水解时可释放的自由能大于21 kJ/mol称为高能键； 含有高能键的化合物称为高能化合物； 高能键主要类型：磷酸酐键、磷酰胺键、硫酯键、磷酸酯键、混合酸酐键； 体内主要的高能化合物有：NTP、NDP、CrP、乙酰辅酶A(CH3COSCoA)等； 高能化合物之间通过化学反应可转移高能键；第8页/共87页 核苷二磷酸激酶的作用ATP + UDP ADP + UTPATP + CDP ADP + CTPATP + GDP ADP + GTP腺苷酸激酶的作用 ADP + ADP ATP + AMP第9页/共87页第10页/共87页 ATP是人体内能量的直接供给者。 NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H12OPO- -OOPOO- -OPO- - -OO一磷酸腺苷（AMP）二磷酸腺苷（ADP）三磷酸腺苷（ATP）第11页/共87页NNNNNH2OOOHOHPOOHPOOOHOHOHOOPNNNNNH2OOOHOHPOOHPOOOHOHNNNNNH2OOOHOHPOOHOH磷酸焦磷酸磷酸 Fig 5.2.1 ATP水解的主要方式 第12页/共87页二，体内的能量利用和ATP循环 ATP中化学键的断裂方式：磷酸与磷酸之磷酸酐键断裂成焦磷酸和AMP； 磷酸和磷酸之磷酸酐键断裂成ADP和磷酸； ATP断裂成ADP是最主要的供能代谢方式； ATP循环：ATP生成ADP，释放能量供应机体需要，而后通过ADP的磷酸化再生成ATP。是体内能量代谢的关键环节 第13页/共87页 ATP的生成和利用的生成和利用磷酸肌酸肌酸 ATPPADPP 氧化磷酸化底物水平 磷酸化机械能渗透能化学能电能热能第14页/共87页三。肌酸激酶的作用磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。磷酸肌酸+ ADP肌酸+ ATP肌酸激酶COOHCH2NCH3CNH2NHCOOHCH2NCH3CNNHHP第15页/共87页第16页/共87页定义代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过线粒体内膜上的多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水，这一系列酶和辅酶称为呼吸链(respiratory chain)又称电子传递链(electron transfer chain)。组成递氢体和电子传递体（2H 2H+ + 2e） 呼吸链呼吸链第17页/共87页（一）呼吸链的组成（一）呼吸链的组成人线粒体呼吸链复合体复合体复合体酶名称酶名称复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体NADH-泛醌还原酶泛醌还原酶琥珀酸琥珀酸-泛醌还原酶泛醌还原酶泛醌泛醌-细胞色素细胞色素C还原酶还原酶细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶辅基辅基FMN，Fe-S FAD，Fe-S 铁卟啉，铁卟啉，Fe-S 铁卟啉，铁卟啉，Cu 多肽链数多肽链数394 1013 复合体复合体酶名称酶名称复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体NADH-泛醌还原酶泛醌还原酶琥珀酸琥珀酸-泛醌还原酶泛醌还原酶泛醌泛醌-细胞色素细胞色素C还原酶还原酶细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶辅基辅基FMN，Fe-S FAD，Fe-S 铁卟啉，铁卟啉，Fe-S 铁卟啉，铁卟啉，Cu 多肽链数多肽链数394 1013 第18页/共87页呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置第19页/共87页四种复合体的排列关系NADHsuccinate FMN（Fe-S） FAD（Fe-S） Cyt b, （Fe-S）CoQ Cyt aa3O2Cyt ccompex Icompex IIcompex IIIcompex IVc1第20页/共87页1. 烟酰胺核苷酸烟酰胺核苷酸 NAD+：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(Nicotinamide Adenine Dinucleotide) ，又叫又叫Co，主要作为呼吸链的一个组分，起递，主要作为呼吸链的一个组分，起递氢体作用；氢体作用； NADP+：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(Nicotin-amide Adenine Dinucleotide Phosphate) ，又叫，又叫Co，主要在还原性生物，主要在还原性生物合成中作为供氢体。合成中作为供氢体。 二者的递氢部位是二者的递氢部位是烟酰胺烟酰胺部分，为部分，为Vit PP。第21页/共87页R=H: NAD+; R=H2PO3:NADP+NAD+和NADP+的结构第22页/共87页NAD+（NADP+）的递氢机制（氧化型）NHCONH2R+ H + H + + eNHCONH2RH+ H +NAD +/NADP+NADH/NADPH（还原型）第23页/共87页2. 黄素辅基黄素辅基 FMN：黄素单核苷酸：黄素单核苷酸(Flavin Mononucleotide) FAD：黄素腺嘌呤二核苷酸：黄素腺嘌呤二核苷酸(Flavin Adenine Dinucleotide) FMN和和FAD中中异咯嗪环异咯嗪环起起递氢体递氢体作用。作用。 异咯嗪及核醇部分为异咯嗪及核醇部分为Vit B2（核黄素）。（核黄素）。第24页/共87页 FMN结构结构CH2OHOPOHOCCHOHCHOHHOHCHHNHNNNOOH3CH3C1458910异咯嗪核醇第25页/共87页 CH2OOOHOHHHHCH2HOPOHONNNNNH2OPOHOCCHOHCHOHHOHCHHNHNNNOOH3CH3C1458910FAD结构第26页/共87页FMN和和FAD递氢机制递氢机制 RNHNNNOOH3CH3CFMN/FAD1458910RNHNHHNNOOH3CH3C1458910+ 2HFMNH2/FADH2（氧化型）（还原型）第27页/共87页3. 铁硫蛋白铁硫蛋白(Iron-sulfur protein, Fe-S) 又叫铁硫中心或铁硫簇。又叫铁硫中心或铁硫簇。 含有等量铁原子和硫原子。含有等量铁原子和硫原子。 铁还与肽链中铁还与肽链中Cys残基的巯基连接。残基的巯基连接。 铁原子可进行铁原子可进行Fe2+ Fe3+e 反应传递电反应传递电子，子，为为单电子传递体单电子传递体。 作用:将FMN或FAD中的电子传递给泛醌第28页/共87页FeFeSSSFeFeSSSSSCysCysCysCysSFeSFeSSSSCysCysCysCys第29页/共87页第30页/共87页4. 泛醌泛醌 (ubiquinone, UQ) 即辅酶即辅酶Q（ Coenzyme Q， CoQ），属于），属于脂溶性醌类化合物，带有多个异戊二烯侧链。脂溶性醌类化合物，带有多个异戊二烯侧链。 因其为脂溶性，游动性大，极易从线粒体内因其为脂溶性，游动性大，极易从线粒体内膜中分离出来，因此不包含在四种复合体中。膜中分离出来，因此不包含在四种复合体中。 分子中的苯醌结构能可逆地结合分子中的苯醌结构能可逆地结合2个个H，为，为递氢体递氢体。 第31页/共87页 OOH3COH3COCH3(CH2CHCCH3CH2)nHCoQ isoprene H2CCCCH2CH3H第32页/共87页 OOCH3OCH3CH3OROHOHCH3OCH3CH3OR+ 2H 泛泛醌醌（氧氧化化型型） 二二氢氢泛泛醌醌（还还原原型型）第33页/共87页5. 细胞色素类（细胞色素类（Cytochrome, Cyt） 是一类以铁卟啉为辅基的电子传递蛋白。是一类以铁卟啉为辅基的电子传递蛋白。 呼吸链中主要有呼吸链中主要有a、b、c、三类。差别在于铁卟啉的、三类。差别在于铁卟啉的侧链以及铁卟啉与蛋白部分连接的方式不同。侧链以及铁卟啉与蛋白部分连接的方式不同。 Cyt b、c的铁卟啉与血红素相同；的铁卟啉与血红素相同； Cyt a的铁卟啉为血红素的铁卟啉为血红素A。 分子中的分子中的铁铁通过氧化还原而传递电子，为通过氧化还原而传递电子，为单电子传递单电子传递体体。 Cytaa3是唯一能将电子交给氧原子的细胞色素是唯一能将电子交给氧原子的细胞色素第34页/共87页第35页/共87页第36页/共87页NADH+H+ NAD+ FMN FMNH22Fe2+-S 2Fe3+-S QQH2 复合体NADH CoQ FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; Fe-SN-2 第37页/共87页 复合体琥珀酸 CoQFe-S1; b560; FAD; Fe-S2 ; Fe-S3 琥珀酸 延胡索酸 FAD FADH22Fe2+-S 2Fe3+-S QQH2第38页/共87页 复合体QH2 Cyt c b562; b566; Fe-S; c1第39页/共87页 复合体还原型Cyt c O2CuAaa3CuB 第40页/共87页 由以下实验确定 标准氧化还原电位 拆开和重组 特异抑制剂阻断 还原状态呼吸链缓慢给氧（二）呼吸链成分的排列顺序第41页/共87页氧氧化化还还原原对对E (V)NAD+/NADH+H+-0.32FMN/ FMNH2-0.30FAD/ FADH2-0.06Cyt b Fe3+/Fe2+0.04（或或0.10）Q10/Q10H20.07Cyt c1 Fe3+/ Fe2+0.22Cyt c Fe3+/Fe2+0.25Cyt a Fe3+ / Fe2+0.29Cyt a3 Fe3+ / Fe2+ 0.551/2 O2/ H2O 0.82呼呼吸吸链链中中各各种种氧氧化化还还原原对对的的标标准准氧氧化化还还原原电电位位第42页/共87页抑制剂抑制剂第43页/共87页1. NADH氧化呼吸链2. 琥珀酸氧化呼吸链 NADHFMN（Fe-S）CoQCyt b c1 caa3O2CoQCyt b c1 caa3O2 FAD（Fe-S）琥珀酸第44页/共87页NADH氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链第45页/共87页线粒体内重要代谢物氧化的途径线粒体内重要代谢物氧化的途径NADHFMN（Fe-S） c1 caa3O2 FAD（Fe-S） 琥珀酸 -磷酸甘油CoQCyt b苹果酸 -羟脂酰CoA -羟丁酸异柠檬酸谷氨酸FAD硫辛酸 丙酮酸 -酮戊二酸FAD 脂酰CoA第46页/共87页 二、氧化磷酸化二、氧化磷酸化体内ATP生成的方式：氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation)是指在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，生成ATP，又称为偶联磷酸化。 底物水平磷酸化 (substrate level phos-phorylation) 是底物分子内部能量重新分布，生成高能键，使ADP磷酸化生成ATP的过程。第47页/共87页（一）氧化磷酸化偶联部位（一）氧化磷酸化偶联部位即即ATP生成的部位。生成的部位。P/O比值比值：是指物质氧化时，每消耗：是指物质氧化时，每消耗1摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔数，即生成尔数，即生成ATP的摩尔数。的摩尔数。 第48页/共87页线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值底底 物物呼吸链的组成呼吸链的组成P/O比值比值生成生成ATP数数 -羟丁酸羟丁酸NAD+O22.42.82.5琥珀酸琥珀酸FAD O21.71.5抗坏血酸抗坏血酸Cyt cO20.881细胞色素细胞色素CCyt aa3O20.610.681第49页/共87页三个偶联部位：三个偶联部位：ATPATP ATP NADH与与CoQ之间；之间；CoQ与与Cyt c之间；之间；Cyt aa3与氧之间。与氧之间。 第50页/共87页2. 自由能变化( G0)：大于30.5kJ即可生成1摩尔ATP。G0nFE0NADHFMN（Fe-S）CoQCyt bCyt c1Cyt cCyt aa3O2 FAD（Fe-S）琥珀酸能量ADP + PiATP能量ADP + PiATP能量ADP + PiATP-0.32-0.22+0.04+0.08+0.23+0.25+0.29+0.820.36V0.21V0.53V69.5kJ/mol40.5kJ/mol102.3kJ/mol第51页/共87页 NADH氧化呼吸链存在氧化呼吸链存在3个个偶联部位，偶联部位， P/O比值等于比值等于2.42.8，即产生，即产生2.5molATP。 琥珀酸氧化呼吸链存在琥珀酸氧化呼吸链存在2个个偶联部位，偶联部位， P/O比值等于比值等于1.7，即产生，即产生1.5molATP。第52页/共87页（二）（二） 氧化磷酸化的偶联机制氧化磷酸化的偶联机制1. 化学渗透假说化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis) 电子经呼吸链传递时，可将质子（电子经呼吸链传递时，可将质子（H+）从线粒体内膜的基质侧）从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜内外质子电化学梯度储存能量。当质子顺浓度泵到内膜胞浆侧，产生膜内外质子电化学梯度储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动梯度回流时驱动ADP与与Pi生成生成ATP。 第53页/共87页第54页/共87页线粒体基质 线粒体膜 + + + + - - - - H+ O2 H2O H+e- ADP+Pi ATP 化学渗透假说简单示意图第55页/共87页复合体、均有质子泵作用4 H+4 H+4 H+4 H+2 H+2 H+内膜表面基质NADHHNAD琥珀酸 延胡索酸 O22H+H2O第56页/共87页2. ATP合酶即复合体。位于线粒体内膜的基质侧。第57页/共87页ATP合酶合酶 F0：为疏水蛋白质，是镶嵌在线粒体内膜中的质子通道。：为疏水蛋白质，是镶嵌在线粒体内膜中的质子通道。 F1：为亲水蛋白质，由：为亲水蛋白质，由 3 3亚基组成，催化生成亚基组成，催化生成ATP。 OSCP：寡霉素敏感相关蛋白，位于：寡霉素敏感相关蛋白，位于F0与与F1之间，使之间，使ATP合酶在寡霉素存在时不合酶在寡霉素存在时不能生成能生成ATP。第58页/共87页ATP合酶结构模式图第59页/共87页化学计算估计每生成1分子ATP需3个H从线粒体内膜外侧回流进入基质中。ATP合酶的工作机制第60页/共87页ATP4- F0 F1 胞液侧 基质侧 腺苷酸转运蛋白磷酸转运蛋白 ADP3- H2PO4- ATP4- 3H+ 3H+ H+ H+ H2PO4- H2PO4- ADP3- ADP3- 每分子ATP在线粒体中生成并转运到胞浆需4个H回流进入线粒体基质中第61页/共87页 NADH氧化呼吸链每传递氧化呼吸链每传递2H仅生成仅生成 2.5分子分子ATP到线粒体外被利用。到线粒体外被利用。 FADH2氧化呼吸链每传递氧化呼吸链每传递2H仅生成仅生成 1.5分子分子ATP到线粒体外被利用。到线粒体外被利用。第62页/共87页三、影响氧化磷酸化的因素三、影响氧化磷酸化的因素1. 呼吸链抑制剂 阻断呼吸链中某些部位电子传递。2. 解偶联剂使氧化与磷酸化偶联过程脱离。如：解偶联蛋白 3. 氧化磷酸化抑制剂 对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。如：寡霉素 （一）抑制剂第63页/共87页三、氧化磷酸化作用可受某些内外源因素影响（一）有3类氧化磷酸化抑制剂1、呼吸链抑制剂阻断氧化磷酸化的电子传递过程 复合体抑制剂：鱼藤酮(rotenone)、粉蝶霉素A(piericidin A)及异戊巴比妥(amobarbital)等阻断传递电子到泛醌 。 复合体的抑制剂：萎锈灵(carboxin)。第64页/共87页 复合体抑制剂：抗霉素A(antimycin A)阻断Cyt bH传递电子到泛醌(QN) ；粘噻唑菌醇则作用QP位点。 复合体 抑制剂：CN、N3紧密结合中氧化型Cyt a3，阻断电子由Cyt a到CuB- Cyt a3间传递。CO与还原型Cyt a3结合，阻断电子传递给O2。 第65页/共87页NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCyt bCyt cCyt cCyt aa3O2鱼藤酮粉蝶霉素A异戊巴比妥 抗霉素A二巯基丙醇 CO、CN-、N3-及H2S各种呼吸链抑制剂的阻断位点第66页/共87页不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响第67页/共87页2、解偶联剂破坏电子传递建立的跨膜质子电化学梯度 解偶联剂(uncoupler)可使氧化与磷酸化的偶联相互分离，基本作用机制是破坏电子传递过程建立的跨内膜的质子电化学梯度，使电化学梯度储存的能量以热能形式释放，ATP的生成受到抑制。 如：二硝基苯酚(dinitrophenol, DNP) ；解偶联蛋白(uncoupling protein，UCP1)。第68页/共87页解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）Cyt cQ胞液侧 基质侧 解偶联 蛋白热能 ADP+Pi ATP 第69页/共87页3、ATP合酶抑制剂同时抑制电子传递和ATP的生成这类抑制剂对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。例如寡霉素(oligomycin)可结合F0单位，阻断质子从F0质子半通道回流，抑制ATP合酶活性。由于线粒体内膜两侧质子电化学梯度增高影响呼吸链质子泵的功能，继而抑制电子传递。 第70页/共87页 寡霉素寡霉素(oligomycin) 可阻止质子从可阻止质子从F0质子通道回流，抑制质子通道回流，抑制ATP生生成成寡霉素第71页/共87页（二）ADP的调节作用ADP 是调节正常人体氧化磷酸化速率的主要因素。 ADP，氧化磷酸化。（三）甲状腺激素刺激机体耗氧量和产热同时增加。 Na+,K+ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加。（四）线粒体DNA突变 与线粒体DNA病及衰老有关。第72页/共87页五、通过线粒体内膜的物质转运五、通过线粒体内膜的物质转运线粒体外膜通透性高，线粒体对物质通过的选择性主要依赖于内膜中不同转运蛋白(transporter)对各种物质的转运。第73页/共87页胞浆中NADH的氧化胞浆中胞浆中NADH必须经一定必须经一定转运机制转运机制进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。化。转运机制转运机制主要有主要有-磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭(-glycerophosphate shuttle)苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle)第74页/共87页1、-磷酸甘油穿梭主要存在于脑和骨骼肌中第75页/共87页1. -磷酸甘油穿梭机制 （脑和骨骼肌）第76页/共87页2. 苹果酸-天冬氨酸穿梭机制（肝和心肌） NAD +苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸 NAD +NADH + H +谷氨酸谷氨酸 -酮戊 二酸 -酮戊 二酸天冬氨酸天冬氨酸胞液线粒体NADH氧化 呼吸链3 ATP+ H +NADH苹果酸脱氢酶 转氨酶 转位酶第77页/共87页第三节 其他氧化酶系The Others Oxidation Enzyme Systems第78页/共87页一、需氧脱氢酶和氧化酶 受受氢氢体体辅辅酶酶（辅辅基基）产产物物不不需需氧氧脱脱氢氢酶酶辅辅酶酶需需氧氧脱脱氢氢酶酶O2 FMN或或FAD H2O2氧氧化化酶酶O2 含含Cu H2O受受氢氢体体辅辅酶酶（辅辅基基）产产物物不不需需氧氧脱脱氢氢酶酶辅辅酶酶需需氧氧脱脱氢氢酶酶O2 FMN或或FAD H2O2氧氧化化酶酶O2 含含Cu H2O第79页/共87页二、过氧化物酶体中的酶类 （一）过氧化氢酶(catalase)又称触酶，其辅基含4个血红素2H2O2 2H2O + O2 过氧化氢酶 第80页/共87页（二）过氧化物酶(perioxidase)以血红素为辅基，催化H2O2直接氧化酚类或胺类化合物 R + H2O2 RO + H2O RH2+ H2O2 R + 2H2O 过氧化物酶 过氧化物酶 第81页/共87页反应氧族超氧离子(O2)、H2O2、羟自由基(OH)的统称。 三、超氧化物歧化酶2O2+ 2H+ SODH2O2 + O2 H2O + O2 过氧化氢酶SOD：超氧化物歧化酶 (superoxide dismutase)第82页/共87页 谷胱甘肽过氧化物酶 H2O2(ROOH) H2O(ROH+H2O) 2G SH G S S G NADP+ NADPH+H+ * 此类酶可保护生物膜及血红蛋白免遭损伤 谷胱甘肽还原酶 3. 含硒的谷胱甘肽过氧化物酶 第83页/共87页四、微粒体中的酶类 （一）加单氧酶(monoxygenase)* 催化的反应：RH + NADPH + H+ + O2 ROH + NADP+ + H2O 故又称混合功能氧化酶(mixed-function oxidase)或羟化酶(hydroxylase)。上述反应需要细胞色素P450 (Cyt P450)参与。第84页/共87页目 录第85页/共87页（二）加双氧酶 此酶催化氧分子中的2个氧原子加到底物中带双键的2个碳原子上。ONH2NHNHOCOOHNH2CHO例 如： (O2) 色氨酸吡咯酶第86页/共87页感谢您的观看！第87页/共87页